Зависимость светопропускания вакуумноплотных керамических материалов от спектрального состава излучения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.319.4:620.179

П.М. Плетнев, Г.В. Симонова, В.И. Рогов, С.А. Степанова СГГ А, СГУПС, Новосибирск

ЗАВИСИМОСТЬ СВЕТОПРОПУСКАНИЯ ВАКУУМНОПЛОТНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ОТ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ

P.M. Pletnev, G. V. Simonova, V.I. Rogov, S.A. Stepanova Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)

10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk , 630108, Russian Federation

THE DEPENDENCE OF LIGHT-TRANSPARENCY VACUUM-THICK CERAMIC MATERIAL FROM SPECTRAL COMPOSITION OF THE RADIATION

Results of research of interrelation light-transparency of ceramics of the different marks with parameters of its microstructure and properties are resulted.

The established dependences can be used for a quantitative estimation of quality of ceramics.

В данной работе представлены результаты исследования показателя поглощения вакуумноплотных керамических материалов, используемых при создании герметичной оболочки различных электро-, радиотехнических и электровакуумных устройств [1]. Поскольку к таким устройствам предъявляются повышенные требования по надежности, работоспособности в экстремальных условиях, то необходимость применения неразрушающего контроля [НК] комплектующих элементов крайне велика. Для выбора физических принципов при разработке оптических методов контроля необходимо иметь сведения по избирательной способности поглощения светового потока керамикой в зависимости от спектрального состава излучения.

Керамика, как оптическая среда, относится к мутным средам, для которых характерно многократное рассеяние света на оптических неоднородностях. Таковыми в керамике являются кристаллы, поры, стеклофаза и включения, растворённые в стеклофазе. Кроме рассеяния в этих случаях ослабляющим фактором являются отражение и поглощение света.

Ослабление светового потока в среде подчиняется закону Ламберта-Бугера [2]:

т — т “kd

J — J 0е ,

где J0 - начальная интенсивность падающего света на вещество;

J - интенсивность света, прошедшего через вещество;

d - толщина слоя вещества;

k - показатель поглощения.

Поглощение и рассеяние света для многих веществ зависит от длины волны света. Рассеяние света в мутных средах зависит от многих факторов.

Одним из важных факторов, определяющих характер рассеяния, является отношение между диаметром частиц с1 и длиной волны рассеяния света /-.

Для материалов, исследуемых в данной работе, характерно соотношение <1» А,.

При изучении коэффициента пропускания керамических материалов различных марок нами была использована установка, принципиальная схема которой представлена на рисунке.

Источник света

Световой фильтр Керамический образец Приёмник

Рис. Принципиальная схема установки для изучения светопропускания

керамики

Образцами служили керамические диски (диаметр - 30 мм, толщина 1,4-^7,0 мм), изготовленные по стандартной технологии.

В качестве источника излучения использовалась лампа накаливания, фотоприёмником служил люксметр Ю-16, спектральный диапазон излучения задавался использованием соответствующего светофильтра, установленного перед образцом.

Приведенные в табл. 1 результаты для различных марок керамики свидетельствуют о выраженной избирательной способности к поглощению в зависимости от спектра излучения. Так для алюмооксидной керамики марки А-995, структура которой практически полностью сложена из кристаллов корунда, изменения показателя поглощения света к при изменении спектрального состава излучения, может составлять от 450 м-1 до 20 м-1.

Для других марок керамики различия в поглощении светового потока разных длин волн тоже существенные и могут изменяться в 1,5 - 3,0 раза.

Для алюмооксидной керамики ВК95-1 показатель поглощения колеблется от 335 до 840 м-1, керамики 22ХС - от 960 до 3360 м-1, а у магнийсиликатной (форстеритовой и стеатитовой) керамики изменение показателя поглощения составляет от 230 до 700 м-1. Важным является тот факт, что для всех исследуемых керамических образцов в диапазоне излучения X = 500-^570 нм (светофильтр ЖЗС-9) наблюдается максимум показателя поглощения.

Влияние структуры и фазового состава керамики (табл. 2) проявляется особенно заметно при сравнении результатов для показателей поглощения различных марок алюмооксидной керамики А-995 и ВК95-1, а также форстеритовой керамики марки ВФ5242-1. Следует отметить, что структура

керамики А-995 является однофазной (а - А1203), а у керамики ВК95-1 наряду с корундом присутствует стеклофаза в количестве до 7%. Поэтому пониженный показатель поглощения керамики А-995 обусловлен её однофазным кристаллическим строением с небольшим содержанием пор. Меньшая светопропускная способность керамики ВК95-1 связана с мелкозернистым строением корунда, наличием стеклофазы и большей пористостью.

Таблица 1. Результаты изменения показателя поглощения керамики

различных марок

Марка керамики Спектр излучателя - лампа накаливания

Сплошной (Х=40(Н780нм) Со светофильтром СЗС-7 (А,<560нм) Со светофильтром ЖЗС-9 О=500н-580нм) Со светофильтром ОС-11 (А>560нм)

Алюмооксидная А-995 ^=7,0мм) 194 395 449 18

ВК95-1 (ВГ-IV) ^=2,6мм) 335 598 839 470

22ХС ^=1,4мм) 961 2513 3362 1398

Форсте- ритовая ВФ5242-1 (ЛФ-ІІ) ^=2мм) 233 450 612 282

Стеати- товая ЛК-І ^=2,7мм) 327 467 709 369

Таблица 2. Структура керамических материалов различных марок

Параметры микроструктуры Марка керамики

Алюмооксидная Форстеритовая Стеатитовая

А-995 ВК95-1 (ВГ-^) 22ХС ВФ5242-1 (ЛФ-ІІ) ЛК-І

Кристаллофаза, Корунд, Корунд, Корунд, Форстерит, Метасиликат,

а - А1203 а - А1203 а - А1203 2М§0 БІ02 М§0 БІ02

Размер п=1,67 п=1,61

кристаллов, мкм 15-20 6-8 10-12 4-6 3-4

Состав стеклофазы - М^О - АІ2О3 М§0 - АІ2О3 — Ва0 - АІ203 — Ва0 — В203-

-БІ02 СГ2О3 — Мп02 БІ02 АІ203 —БІ02

Содержание 8-10 п=1,55 п=1,54

стеклофазы, % «0,5 6-7 10-12 10-15

Содержание пор, 2-4 4-6 4-5 6-7 6-10

%

Общая характеристика Крупно кристалли ческая, однородна я Мелкозерни стая, участки стеклофазы мелкие Малопориста я, со средним размером зерна Мелкозерниста я, однородная с равномерным распределение м стеклофазы Мелкозернис тая, однородная, пористая

Интересным результатом является пониженный показатель поглощения форстеритовой керамики марки ВФ5242-1. Этот материал по таким параметрам микроструктуры (размер кристаллов, пористость, содержание стеклофазы) сопоставим с корундовой керамикой ВК95-1, но имеет другую кристаллическую фазу - ортосиликат магния (2MgO SiO2), которая имеет пониженный показатель поглощения по сравнению с корундом.

Больший показатель поглощения алюмооксидной керамики 22ХС обусловлен влиянием красящихся добавок (Сг203, МпО), вводимых в состав материала. Показатель поглощения стеатитовой керамики ЛК-I и её зависимость от спектра падающего светового потока сравнимы с поведением алюмооксидной керамики ВК95-1.

Выявлена заметная взаимосвязь микроструктуры и фазового состава керамики с её светопропусканием. Важнейшим результатом данной работы является хорошая корреляция световых потерь со структурой керамического материала.

Таким образом, теоретический анализ и экспериментальные результаты по взаимодействию светового потока с разными керамическими материалами свидетельствуют об избирательном поглощении потока в зависимости от спектра излучения и реальной возможности использования оптического контроля для оценки качества керамических изделий.

В настоящее время имеются мощные малогабаритные долговечные источники света и высокочувствительные приёмники излучения, что обеспечивает хорошую основу для создания средств контроля с высокой разрешающей способностью.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бердов, Г.И. Термостойкие материалы / Г.И. Бердов, М.А. Рубашев, В.Н. Гаврилов и др. -М., Атомиздат, 1980. - С. 68-72.

2. Зисман, Г.А. Курс общей физики / Г.А. Зисман, О.М. Тодес. - М.: Том III. Изд. 6ое, Изд. «Наука», 1980. - 496 с.

© П.М. Плетнев, Г.В. Симонова, В.И. Рогов, С.А. Степанова, 2008